El chip fotónico del tamaño de una uña desenreda la luz superpuesta

El chip fotónico del tamaño de una uña descompone automáticamente las señales de luz superpuestas en haces separados, como lo demostró un equipo de investigación de Stanford y Austria utilizando múltiples fuentes láser. En el futuro, esta tecnología podría hacer que los microscopios y telescopios sean más sensibles porque recupera información de la luz que las cámaras convencionales resumen.

Cuando dos fuentes de luz inciden en un sensor desde la misma dirección, sus contribuciones suelen terminar juntas en un píxel. Detrás del punto de luz puede haber un solo objeto o una superposición de varias fuentes de luz que una cámara difícilmente puede distinguir; Un nuevo chip fotónico está preparado para explotar precisamente esta información oculta.

El sistema fue desarrollado por investigadores de la Universidad de Stanford y el Instituto Austriaco de Ciencia y Tecnología (ISTA) y la investigación fue publicada en una revista especializada Fotónica de la naturaleza. Para el proceso, el equipo combinó un circuito óptico reconfigurable con algoritmos de control que reconocen de forma independiente de qué componentes estadísticamente distinguibles se compone un campo de luz mixto. Según la descripción del equipo de investigación, ésta fue la primera vez que se logró la separación experimental de luz parcialmente coherente directamente en un chip. El informe original de ISTA explica la estructura y las posibles aplicaciones.

El chip fotónico detecta dos fuentes láser superpuestas

En primer lugar, los científicos combinaron en el experimento la luz de dos láseres independientes. Había una correlación parcial entre las ondas de las dos fuentes: sus oscilaciones a veces coincidían, pero luego volvían a perder esta relación. En óptica, esta propiedad se denomina coherencia parcial y se encuentra entre la luz láser ordenada y las fuentes de luz cuyas ondas oscilan estadísticamente de forma independiente entre sí.

La señal mezclada entró entonces en una red de componentes ópticos a través de los cuales pasó el chip, y en la salida aparecieron nuevamente haces de luz separados cuyas fluctuaciones ya no estaban correlacionadas entre sí. Para verificarlo, los investigadores volvieron a combinar los resultados; Los rayos se sumaron de manera diferente a lo que se esperaría si la luz continuara correlacionada. Esta prueba demostró que el chip efectivamente había convertido los componentes originales en salidas independientes.

Luego, el equipo amplió el experimento con información adicional y también pudo dividir automáticamente la luz mezclada utilizando una tercera fuente láser. Por tanto, el experimento demuestra que el método puede distinguir más de dos contribuciones superpuestas. Aún no se han probado muchas fuentes; Las pruebas publicadas se limitan a las condiciones de entrada examinadas.

Los interferómetros Mach-Zehnder dirigen la luz por caminos separados

En el interior hay una red de dos capas autoconfigurable de interferómetros Mach-Zehnder que utilizan divisores de haz pasivos para dividir la luz en dos caminos y luego combinar los haces parciales nuevamente. Los cambios coordinados en las trayectorias ópticas afectan la forma en que se superponen las ondas. Muchos de estos elementos juntos forman un circuito que no sólo transmite luz, sino que también evalúa sus relaciones espaciales.

Particularmente importante es la adaptación automática de la red: un algoritmo de control determina los modos de coherencia característicos del campo de entrada desconocido y configura el circuito para que los diferentes componentes aparezcan en salidas separadas. Los investigadores no necesitan informar al sistema de antemano ni del número de fuentes de luz ni de su estructura espacial. Durante la configuración, el chip aprende las propiedades estadísticas relevantes y luego dirige físicamente la luz a diferentes canales.

Según ISTA, para esta arquitectura el equipo integró cientos de componentes ópticos en un área de apenas unos pocos milímetros cuadrados. Con la óptica convencional, una función comparable habría requerido numerosos espejos individuales y otros componentes que debían estar alineados con precisión sobre una mesa óptica. Estas configuraciones son sensibles a los movimientos y vibraciones más pequeños, mientras que la integración en un chip hace que el sistema sea más compacto y facilita una repetición más estable de las mediciones.

Además del diagrama de circuito teórico, los investigadores crearon un chip fotónico reconfigurable, desarrollaron la electrónica asociada y montaron el sistema en una placa de circuito impreso. En lugar de una sala especial completamente oscura, los experimentos se llevaron a cabo en una sala normalmente iluminada, de modo que la demostración no requirió oscuridad total. Aún no está claro qué tan robusto funcionará el sistema en un dispositivo móvil o en condiciones ambientales cambiantes.

Un tercer láser controla la separación de las fuentes de luz.

Una comparación entre la luz láser y la luz de una bombilla ayuda a entender esto: en un láser las ondas de luz oscilan en una relación ordenada y pueden fortalecerse o debilitarse cuando se encuentran dependiendo de su posición de fase. De esta forma se crean, por ejemplo, los famosos patrones granulados en una superficie rugosa. La luz de una lámpara normal, en cambio, se compone de trenes de ondas muy desordenados y forma un patrón más difuso.

En la práctica, la luz suele situarse entre estos dos casos extremos: pueden superponerse espacialmente múltiples fuentes, mientras que sus ondas sólo están parcialmente correlacionadas entre sí. Estos estados intermedios contienen información sobre las fuentes de luz y su disposición espacial, pero las cámaras clásicas reproducen la luz entrante en un sensor bidimensional, de modo que las distintas contribuciones pueden coincidir en la misma información de la imagen.

Antes de tomar esta imagen, el nuevo método comienza descomponiendo el campo de luz en componentes estadísticamente independientes y manteniendo los rayos separados disponibles para su posterior procesamiento. A diferencia de la mejora posterior de la imagen mediante software, el proceso separa la información en la señal óptica antes de que una cámara la combine en un solo valor de píxel. Según los investigadores, de esta manera se podrá disponer de más información sobre la superposición de fuentes de luz en el espacio.

Los microscopios podrían distinguir dos partículas fluorescentes

Un posible campo de aplicación es la microscopía, porque las partículas fluorescentes pueden estar tan juntas que sus señales luminosas se fusionan en un punto común en una imagen convencional. De ser así, la tecnología del chip podría probar si la luz proviene de diferentes fuentes estadísticamente distinguibles. De esta manera es posible obtener información sobre estructuras que no aparecen separadas en la imagen final de la cámara.

Hasta ahora se trata de una perspectiva de aplicación y no de un microscopio ya validado; Los investigadores aún tienen que demostrar cómo funciona la separación con muestras reales, señales débiles y entornos complejos. Las muestras biológicas dispersan la luz, emiten fluorescencia en distintos niveles y, en ocasiones, se mueven durante la grabación, mientras que la luz de fondo y el ruido del detector pueden dificultar aún más la detección. Es por eso que el equipo de ISTA está trabajando en una próxima generación de chips y planea trabajar más estrechamente con biólogos para probar el procesamiento óptico bajo el microscopio.

Este enfoque forma parte de un desarrollo en el que las funciones ópticas se transfieren cada vez más a componentes semiconductores. Un chip de silicio con conductores de luz con pérdidas especialmente bajas muestra cómo se pueden transferir las propiedades de las fibras de vidrio clásicas a plataformas compactas. El nuevo circuito funciona de manera diferente: en lugar de transportar luz con la menor pérdida posible, evalúa su estructura estadística y divide los componentes.

La NASA estudia señales débiles de galaxias distantes

La separación también podría ser útil para la astronomía, porque la luz de estrellas distantes y exoplanetas a menudo llega muy débilmente a los telescopios. Si varias fuentes provienen de direcciones similares, su información puede converger en un píxel. En el futuro, el chip podrá distinguir entre estos componentes luminosos y así proporcionar más información sobre los objetos observados.

Junto con la NASA, los investigadores de Stanford David Miller, Olav Solgaard y Annie Kroo ya están estudiando posibles aplicaciones de la luz procedente de galaxias distantes. Esta cooperación es un proyecto de investigación y aún no implica el uso de un instrumento terminado en el espacio. Sería concebible, por ejemplo, que un punto brillante aparentemente único contenga múltiples contribuciones de estrellas o exoplanetas separados; Habrá que realizar más pruebas para aclarar si el chip puede distinguir de forma fiable tales señales en condiciones astronómicas reales.

Existe otro posible campo de aplicación para la comunicación por satélite: los rayos láser pueden transmitir datos entre satélites y estaciones terrestres, mientras que las turbulencias en la atmósfera terrestre cambian las propiedades de la luz en su camino hacia el receptor. Como resultado, una señal originalmente ordenada puede perder parcialmente su coherencia. Un chip fotónico podría analizar dichas señales alteradas y dividir la información óptica para pasos de procesamiento posteriores; Aún no se ha demostrado una conexión por satélite con este método.

ISTA está construyendo la próxima generación de chips de señal débil

La siguiente fase de desarrollo implica chips más grandes y más rápidos con modos ópticos adicionales. El equipo dirigido por Charles Roques-Carmes quiere aumentar la eficiencia hasta tal punto que incluso muy pocos fotones detectados sigan proporcionando información utilizable, lo que sería especialmente importante para aplicaciones con niveles de luz bajos, como muestras u objetos astronómicos débilmente iluminados.

Un ordenador cuántico fotónico alemán ya está demostrando cómo se pueden utilizar partículas de luz en circuitos ópticos para operaciones informáticas. El trabajo descrito aquí no se centra en la computación cuántica, sino que profundiza en las propiedades de coherencia espacial de los campos de luz clásicos. Lo que ambos desarrollos tienen en común es el uso de componentes ópticos integrados que pueden usarse para controlar específicamente la luz en un espacio pequeño.

Antes de que pueda aplicarse en la práctica, la tecnología aún tiene que superar varios obstáculos: queda por ver cuántos modos de luz se pueden separar de manera confiable, qué tan rápido se adapta el chip a los cambios en las señales de entrada y cuánta luz se pierde durante el procesamiento. También es crucial integrar las salidas en un sistema de medición completo capaz de registrar las señales separadas con suficiente sensibilidad.

La próxima generación de chips se construirá y operará en ISTA; Al mismo tiempo, los científicos, junto con los biólogos, están diseñando un microscopio que utiliza la separación óptica en muestras reales. Sólo estos experimentos mostrarán si el componente del tamaño de una uña realmente puede hacer visibles detalles previamente ocultos en muestras biológicas u objetos celestes débiles.

Nature Photonics, separación automática en un chip de luz parcialmente coherente en sus componentes mutuamente incoherentes; doi:10.1038/s41566-026-02035-6

Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (ISTA): dividir la luz en un chip

Universidad de Stanford, un chip del tamaño de una uña desenreda la luz mixta

Construido con el apoyo de inteligencia artificial.